專(zhuān)利名稱(chēng)：小型非接觸對(duì)稱(chēng)輸入式三維外形掃描頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種測(cè)量?jī)x器，特別是涉及一種非接觸方式測(cè)量物體表面形狀的掃描頭。
精確測(cè)量物體表面輪廓的儀器一直是十分需要的，尤其是感光技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，也在這一領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，例如用攝像機(jī)和電腦連接組成的即時(shí)打印出攝像機(jī)所攝到的景象、人像或人頭像等等，但是這種攝像方法有相當(dāng)?shù)恼`差和畸變，也不能取得被攝物體的三維數(shù)據(jù)，因此不適合科研和生產(chǎn)上的應(yīng)用，而誤差小和畸變小的非接觸式三維外形的掃描儀器是十分需要的。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種測(cè)量誤差小和畸變小而且體積小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的三維外形掃描頭。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種掃描頭，用于對(duì)物體表面進(jìn)行非接觸式三維外形測(cè)量，包括有光源，電子感應(yīng)器，反光鏡，光源采用了將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)化為線光源的一組準(zhǔn)直和柱面透鏡，電子感應(yīng)器和反光鏡沿光源的光軸軸線鏡像對(duì)稱(chēng)設(shè)置。本實(shí)用新型采用單色激光點(diǎn)光源作為光源，尤其是采用了對(duì)稱(chēng)設(shè)置的光路和信息采集的器件，構(gòu)成掃描頭。這種結(jié)構(gòu)，使得測(cè)量誤差和畸變減小，且體積小和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這樣就實(shí)現(xiàn)了本實(shí)用新型的目的。
本實(shí)用新型裝置的優(yōu)點(diǎn)在于，本掃描頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小巧輕便，掃描光線的長(zhǎng)度寬度粗細(xì)度可利用與點(diǎn)光源配合的柱面透鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于利用了光線的多次反射，把光路所需的實(shí)質(zhì)空間大量縮減而保持影像的質(zhì)素，配合傾斜及離軸電子感應(yīng)器的布置，對(duì)景深及畸度的缺點(diǎn)大大改善，因此，它會(huì)有廣泛被利用的場(chǎng)合，可配合多種儀器和支架使用，非接觸式地測(cè)量物體的三維外形的表面坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施例，其中

圖1是本掃描頭的各部件被設(shè)置在薄平板上的設(shè)置說(shuō)明圖；圖2是將圖1中的底板去掉后的各部件空間位置說(shuō)明圖；圖3是從頂面向下觀察時(shí)的平面視圖4是本掃描頭被安在一機(jī)架上使用的實(shí)施例說(shuō)明圖。
參閱圖1，圖1是用立體方式說(shuō)明本實(shí)用新型的掃描頭的主要構(gòu)成及設(shè)置情況。圖中示出，各個(gè)部件都安置在一塊薄平板8的上面，薄平板8可以看成是掃描頭框架的主要部分，代表整個(gè)框架，圖中可以看出，本掃描頭主要包括有一個(gè)光源3，兩個(gè)沿光源軸線的傾斜及離軸偏置對(duì)稱(chēng)設(shè)置的電子感應(yīng)器1和2，兩組每一組兩塊的相對(duì)同一光軸軸線對(duì)稱(chēng)擺放及相對(duì)應(yīng)構(gòu)造完全相同的反光鏡4，5，和6，7，其中，反光鏡4和7對(duì)稱(chēng)設(shè)置，構(gòu)造相同，反光鏡5和6對(duì)稱(chēng)設(shè)置，構(gòu)造相同，反光鏡4至7都是平面反光鏡，光源3采用單色激光點(diǎn)光源，例如用紅色激光點(diǎn)光源，利用一組準(zhǔn)直和柱面透鏡，把光點(diǎn)轉(zhuǎn)換為線狀光束，該組準(zhǔn)直和柱面透鏡的結(jié)構(gòu)是由五個(gè)準(zhǔn)直透鏡和一個(gè)柱面透鏡所組成，光束垂直投射在物體表面，例如投射到物體9上P點(diǎn)的垂直光束，為方便說(shuō)明，圖中建立坐標(biāo)系，是X、Y、Z直角坐標(biāo)系，圖中示出，以光源3正中的光軸作為坐標(biāo)系的Z軸，這Z軸與下面的薄平板8的外邊互相垂直相交的Z軸上點(diǎn)為原點(diǎn)，經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的與Z軸垂直與薄平板8的平面相平行的直線為X軸，過(guò)原點(diǎn)與XZ平面相垂直的軸為Y軸，X軸向右為正方向，Z軸指向光源為正方向，Y軸以遠(yuǎn)離薄平板(8)向上為正方向，以下的圖2和圖3，都采用在這里確定的坐標(biāo)系。
圖中示出，薄平板8在與XZ相平行的平面內(nèi)，由光源3發(fā)出的光線垂直射到被測(cè)物體表面后被反射和散射，是非接觸式三維外形測(cè)量，其中帶有被測(cè)物體表面形狀坐標(biāo)尺寸信息的部分光線沿角度相等的角11和角12射向沿Z軸對(duì)稱(chēng)設(shè)置反光鏡4和7，分別再被沿角度相等的角13和14射向反光鏡5和6，經(jīng)反光鏡5和6反射的光線射到電子感應(yīng)器1和2，由電子感應(yīng)器接收，然后送至由數(shù)據(jù)線連接的電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示、儲(chǔ)存和打印等等。
由于光學(xué)系統(tǒng)即反光鏡沿光源3的光軸軸線鏡像對(duì)稱(chēng)設(shè)置，以及電子感應(yīng)器也同樣的對(duì)稱(chēng)設(shè)置，使得對(duì)同一點(diǎn)的測(cè)量誤差，理論上算出，可以減少至少一半，這是本掃描頭的主要特點(diǎn)。
角11和角12的角度選擇和確定，可以使得本掃描頭可以接收到較大范圍的反射和散射光線。由于采用兩組鏡片對(duì)稱(chēng)近距離設(shè)置，使光路所需空間縮減，這也是本結(jié)構(gòu)的一個(gè)特點(diǎn)。
反光鏡可用平面鏡，電子感應(yīng)器可采用各種攝像機(jī)中的相應(yīng)部件，例如采用CCD電子感應(yīng)器，或直接采用攝像機(jī)的攝像頭。
所有這些部件都可以是小型的，因此整個(gè)裝置可以制成一個(gè)尺寸是長(zhǎng)17厘米寬12厘米高6厘米以?xún)?nèi)的框體內(nèi)，在框體即掃描頭框架的外側(cè)加設(shè)簡(jiǎn)單的固定用零部件，例如薄平板底面上設(shè)有螺紋孔，例如薄平面8底面外安有螺釘?shù)戎?lèi)的簡(jiǎn)單方式，可方便地隨處安裝。反光鏡采用平面鏡，價(jià)格低廉。利用一組準(zhǔn)直和柱面透鏡，把光源3被變換成線狀光束，方便地看到被測(cè)部位，選擇光源的功率，使其光線在對(duì)人眼人體都安全的范圍內(nèi)。
參閱圖2，圖2中仍采用圖1中設(shè)立的坐標(biāo)系和各個(gè)部件的編號(hào)，以標(biāo)出坐標(biāo)方式說(shuō)明位置，坐標(biāo)系原點(diǎn)的坐標(biāo)為(0，0，0)順序是x坐標(biāo)，y坐標(biāo)，z坐標(biāo)，電子感應(yīng)器1的中心點(diǎn)坐標(biāo)是(-49.5，0，85)，電子感應(yīng)器2的中心點(diǎn)坐標(biāo)是(49.5，0，85)，反光鏡4的中心坐標(biāo)是(-69，0，15)，反光鏡5的中心點(diǎn)坐標(biāo)是(-15，0，15)，反光鏡6的中心點(diǎn)坐標(biāo)是(15，0，15)，其單位可以是1毫米，或按比例放大，光源3在Z軸上，在Z軸的+值的位置，它可以調(diào)整，根據(jù)被測(cè)物的具體情況可以調(diào)整，也可以固定，例如其中心點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0，50)。
標(biāo)出坐標(biāo)相對(duì)數(shù)值十分方便說(shuō)明對(duì)稱(chēng)設(shè)置這一特征，所有器件的中心點(diǎn)的Y坐標(biāo)都是0，說(shuō)明所有器件的中心點(diǎn)都在由X軸Z軸所確定的平面內(nèi)，兩個(gè)電子感應(yīng)器1和2的中心點(diǎn)的X坐標(biāo)數(shù)值相同符號(hào)相反，說(shuō)明以Z軸對(duì)稱(chēng)，反光鏡4和7，反光鏡5和6的x坐標(biāo)數(shù)值也是數(shù)值相等符號(hào)相反，所以也都以Z軸對(duì)稱(chēng)，各反光鏡和電子感應(yīng)器都可看成是平面器件，只要確定它們?cè)赬Z平面內(nèi)所設(shè)置的角度，本掃描頭的各器件的相位置就可完全被確定。因此，用圖3的平面圖進(jìn)行說(shuō)明更加方便和清楚。
參閱圖3，圖3是對(duì)掃描頭各器件布設(shè)的正面說(shuō)明圖，由于各器件的中心點(diǎn)在同一平面內(nèi)，且各器件都是平面器件，因此確定各器件的角度設(shè)置即可確定其位置。
在Z軸上取P點(diǎn)，其坐標(biāo)(X，Z)為(0，-125)，兩電子感應(yīng)器1和2的中心點(diǎn)為A和B，反光鏡4和7的中心點(diǎn)為M和N，反光鏡5和6的中心點(diǎn)為C和D，原點(diǎn)為O，點(diǎn)光源3為Q，∠OPM為∠11，OPN為∠12，∠11＝∠12，取∠PMC為∠13，∠PND為∠14，則∠13＝∠14，反光鏡4的平面是經(jīng)過(guò)M點(diǎn)的與∠13的角平分線垂直的平面，同樣，反光鏡7的平面是過(guò)N點(diǎn)的與∠14的角平分線相垂直的平面，反光鏡5的平面是過(guò)C點(diǎn)與反光鏡4相平行的平面，反光鏡6的平面是過(guò)D點(diǎn)的與反光鏡7相平行的平面，對(duì)于電子感應(yīng)器1，連接CA，過(guò)A點(diǎn)做CA的垂線，然后將此垂線沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)∠15的角度，這時(shí)的A平面，就是電子感應(yīng)器1的平面，同樣，連接DB，過(guò)B點(diǎn)做DB的垂線，并將此垂線沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)∠16，取∠15＝∠16這時(shí)的平面就是電子感應(yīng)器2的平面。
由于A與B點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，∠15＝∠16，所以電子感應(yīng)器1和2沿Z軸鏡像對(duì)稱(chēng)，由于M和N點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，∠13＝∠14，所以反光鏡4和7沿Z軸鏡像對(duì)稱(chēng)，反光鏡5與反光鏡4平行，反光鏡6與反光鏡7平行，C點(diǎn)和D點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，所以反光鏡5與6沿Z軸鏡像對(duì)稱(chēng)，這樣，整個(gè)掃描頭是相對(duì)于Z軸鏡象對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)確保了本掃描頭在掃描時(shí)的誤差小。
一個(gè)實(shí)際的掃描頭內(nèi)部件位置的數(shù)據(jù)作為最佳實(shí)施例，取∠11＝∠26度，∠13＝64度，∠15＝20度，點(diǎn)光源3的位置在Z軸上，可以取Z值在50至100之間，點(diǎn)光源經(jīng)一組準(zhǔn)直和柱面透鏡轉(zhuǎn)化為細(xì)的線狀光束，例如長(zhǎng)約2公分的線狀光束，進(jìn)行掃描操作，傾斜及離軸設(shè)置的電子感應(yīng)器1和2同時(shí)得到被測(cè)物表面同一點(diǎn)的數(shù)據(jù)，由電腦處理得到結(jié)果，在確定了掃描頭的這七個(gè)部件的相對(duì)位置以后，掃描頭的結(jié)構(gòu)就被確定了。掃描光線從光源經(jīng)一組上述透鏡轉(zhuǎn)化為例如20毫米長(zhǎng)的掃描光線掃在物件表面，反射光射分別經(jīng)反光鏡4和5進(jìn)入電子感應(yīng)器1，和經(jīng)反光鏡7和6進(jìn)入電子感應(yīng)器2，之后，進(jìn)入電腦被處理，得到被測(cè)物表面形狀數(shù)據(jù)。
圖4是本掃描頭的一個(gè)應(yīng)用的例子，它被安裝在一個(gè)支架的懸吊的外端，掃描頭可沿支架的導(dǎo)軌上下移動(dòng)進(jìn)行位置調(diào)整，被測(cè)物件9被放置在掃描頭下面的移動(dòng)平臺(tái)上，固定掃描頭后，移動(dòng)平臺(tái)帶著被測(cè)物件9移動(dòng)，掃描頭對(duì)物件9表面進(jìn)行掃描，掃描結(jié)果被即時(shí)顯示在與掃描頭相連接和配合的電腦上，掃描頭與被測(cè)物件9的距離可以先調(diào)整在一個(gè)大致的距離，例如是15厘米，或是25厘米，等等，可根據(jù)被測(cè)物件表面的凸凹程度而定。對(duì)被測(cè)物件的大小和形狀沒(méi)有限制，能對(duì)激光進(jìn)行反射的物件皆可被測(cè)，但是有激光掃描不到的表面部位則不適用。
被測(cè)物件例如是照相機(jī)殼，一個(gè)樹(shù)葉的表面形狀，等等，皆可。
權(quán)利要求1.一種掃描頭，用于對(duì)物體表面進(jìn)行非接觸式三維外形測(cè)量，包括有光源，電子感應(yīng)器，反光鏡，其特征在于，光源(3)采用了將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)化為線光源的一組準(zhǔn)直和柱面透鏡，電子感應(yīng)器和反光鏡沿光源(3)的光軸軸線鏡像對(duì)稱(chēng)設(shè)置。
2.如權(quán)利要求1所述的掃描頭，其特征在于，所述電子感應(yīng)器采用兩個(gè)，是對(duì)稱(chēng)、傾斜并離軸偏置設(shè)置。
3.如權(quán)利要求1所述的掃描頭，其特征在于，所述反光鏡采用了四塊，都是平面反射鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的掃描頭，其特征在于，所述反光鏡每?jī)蓧K為一組，共兩組對(duì)稱(chēng)設(shè)置。
5.如權(quán)利要求1所述的掃描頭，其特征在于，所述光源(3)、電子感應(yīng)器(1和2)、反光鏡(4，5，6，7)的中心點(diǎn)坐標(biāo)在一平面內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的掃描頭，其特征在于，其各器件配置的相對(duì)位置，在XZ平面內(nèi)，以(X，Z)順序表示，光源(3)在Z軸上，取+值，電子感應(yīng)器(1)的中心點(diǎn)A坐標(biāo)為(-49.5，85)，電子感應(yīng)器(2)的中心點(diǎn)B坐標(biāo)為(49.5，85)，反光鏡4的中心點(diǎn)M的坐標(biāo)為(-69，15)，反光鏡7的中心點(diǎn)N的坐標(biāo)為(69，15)，反光鏡5的中心點(diǎn)C坐標(biāo)為(-15，15)，反光鏡6的中心點(diǎn)D的坐標(biāo)為(15，15)，∠15取20度，∠13取64度，∠14＝∠13，∠16＝∠15。
7.如權(quán)利要求1所述的掃描頭，其特征在于，所述光源(3)是單色激光光源。
8.如權(quán)利要求1所述的掃描頭，其特征在于，所述光源(3)中的一組準(zhǔn)直和柱面透鏡是由5個(gè)準(zhǔn)直透鏡和一個(gè)柱面透鏡所組成。
專(zhuān)利摘要一非接觸式三維數(shù)據(jù)掃描頭,包括光源,電子感應(yīng)器,反光鏡,光源采用將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)化為線光源的一組準(zhǔn)直和柱面透鏡,電子感應(yīng)器和反光鏡沿光源的光軸軸線鏡像對(duì)稱(chēng)設(shè)置。使用一個(gè)單色激光點(diǎn)光源透過(guò)準(zhǔn)直和柱面透鏡轉(zhuǎn)換為線狀光束垂直投射在物體表面,反射出光線,通過(guò)反光鏡與電子感應(yīng)器,把光線接收在感應(yīng)器上,經(jīng)電腦運(yùn)算后獲得三維外形表面坐標(biāo)點(diǎn)據(jù),接收光線,因被多次反射,把光路所需的實(shí)質(zhì)空間大量縮減而保持影像質(zhì)量。
文檔編號(hào)G06K9/20GK2364507SQ9920153
公開(kāi)日2000年2月16日 申請(qǐng)日期1999年3月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月18日
發(fā)明者李利民, 鐘志強(qiáng) 申請(qǐng)人:香港生產(chǎn)力促進(jìn)局